基于實測分析的采厚與超前支承壓力峰值位置關系研究

李志強，蘇 禮，李 洋

（1.晉能控股煤業集團 三元石窟煤業有限公司，山西 長治 046000；2.華北科技學院，北京 101601）

0 引 言

超前支承壓力是指工作面煤層采出后，由于覆巖壓力的轉移，在前方煤壁形成的集中應力。超前支承壓力的分布特征將對工作面和上下順槽的圍巖控制產生較大的影響。近些年我國現代化礦井的生產技術和裝備發展十分迅速[1-4]，綜合機械化放頂煤開采在我國的發展和成果顯著[5,7]，在世界范圍內也處于前列。掌握超前支承壓力的分布規律和特征對巷道維護和支護方案選擇十分重要。然而影響超前支承壓力的因素很多，主要因素有煤層埋藏深度、采厚、頂板懸梁長度和煤層強度等[8-11]。本文主要分析綜放開采時采厚與超前支承壓力峰值位置的關系，其中峰值位置指的是峰值位置與工作面煤壁的距離。

1 超前支承壓力觀測

河林煤礦的主采煤層為7（4）煤層，j7401工作面范圍內的頂板巖性屬于中等偏硬巖層，地質構造簡單，工作面范圍內無斷層，走向長度為1 520 m，傾向長度為240 m。j7401工作面煤層傾角變化范圍較大（圖1），開采過程中俯角最大達到32°，仰角最大達到16°，在整個煤層開采過程中也有4段屬于近水平煤層，分別為圖中的A段、B段、C段和D段。工作面范圍內地表標高為+255—+310 m，工作面水平標高-150—-270 m，煤層厚度為7.8～16.3 m，平均煤層厚度大約是11.4 m，采用綜合機械化放頂煤開采，設計采高為3.4 m，放頂高度根據推進不同位置時的煤層厚度而定。

圖1 j 7401工作面煤層分布Fig.1 Coal seam distribution of No.j7401 face

以河林礦j7401工作面為研究對象，分析不同綜放開采厚度時的超前支承壓力位置變化特征。在圖1中A段的長度為62 m，平均煤層厚度大約為9.6 m，開采過程中采高3.4 m，放頂高度為6.2 m；B段的長度為58 m，平均煤層厚度為8.4 m，設計采高3.4 m，放頂高度5.1 m；C段長度為53 m，平均煤層厚度為11.2 m，采高3.4 m，放頂高度7.8 m；D段長度為48 m，平均煤層厚度12.9 m，采高3.4 m，放頂高度9.5 m。

在工作面的A段、B段、C段和D段分別設置觀測線進行觀測，在工作面推進至距離各個觀測實驗段30～50 m時，在回風巷開始布置超前支承壓力鉆孔測點，測點間距大約1 m（由于施工現場地質條件限制不能完全保證間距都是1 m，但測點間距控制在0.9～1.1 m），鉆孔深度3 m（鉆孔深度控制在2.9～3.1 m），鉆孔距離巷道底板1.5 m（鉆孔與巷道底板距離控制在1.4～1.6 m），鉆孔參數和布置位置如圖2所示。其中A段布置的測點數為60個，測點編號為A1，A2，…，A60；B段測點數為56個，測點編號為B1，B2，…，B56；C段測點數為52個，測點編號為C1，C2，…，C52；D段測點數為47個，測點編號為D1，D2，…，D47。

圖2 鉆孔參數和布置位置示意Fig.2 Parameters and layout position of drilling

根據現場j7401綜放工作面的推進情況安排觀測工作，當工作面與第一個測點距離大約20 m時開始記錄超前支承壓力數據，每推進一個循環（并且移架結束后）觀測一次數據。當判斷發生周期來壓時，調取周期來壓前的數據進行記錄，記錄的內容包括此時煤壁前方所有測點應力數據，以及各測點距工作面煤壁距離。

2 觀測結果分析

工作面在A段、B段和C段推進過程中都觀測到了3次周期來壓，在D段推進過程中觀測到了2次周期來壓。整理每次周期來壓前一次的超前支承壓力數據，整理的數據為煤壁前方40個測點數據，即大約為煤壁前方40 m范圍內超前支承壓力。分別將4個監測段的來壓數據繪制出來壓曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，在相同觀測段觀測得到的超前支承壓力峰值的位置近似相同，在不同觀測段觀測得到的超前支承壓力峰值的位置不同，超前支承壓力峰值與工作面煤壁距離由小到大依次是B段、A段、C段、D段，4個觀測段的采厚排序也是B段、A段、C段、D段，隨著采厚的增加，超前 支承壓力峰值的位置與工作面煤壁的距離變大。

圖3 監測到的超前支承壓力曲線Fig.3 Curve of the advancing abutment pressure

對4段監測到的數據分別采用拉格朗日插值方法進行分析，在插值區間內選擇分析的數據節點，過這些數據節點構造插值函數，使得到的插值函數值與插值區間內原函數各節點值差值最小（其中，為插值區間內選擇的節點數）。拉格朗日插值的實質是根據已知節點數據或函數曲線，構造一個統一的、具有足夠精度的插值函數，利用插值函數分析原有數據的線性關系或統計關系。得到的4個觀測段的插值曲線，如圖4所示。

圖4 超前支承壓力插值曲線Fig.4 Interpolation curve of advancing abutment pressure

通過圖4的插值曲線可以得出，4個觀測段超前支承壓力峰值位置距離工作面煤壁的距離分別是12.67、11.58、14.94和17.38 m。

3 結 語

采用拉格朗日插值的方法對觀測的數據進行分析，可以看出，當采厚相同時，超前支承壓力峰值位置基本相同；當采厚增加時，超前支承壓力位置與工作面煤壁距離變大。在生產中觀測相同地質采礦條件工作面2個采厚對應超前支承壓力峰值位置，可以得到采厚與超值支承壓力峰值位置的一次關系式，此關系式可以用于預測相同地質采礦條件下，不同采厚時超前支承壓力峰值位置，對巷道維護和支護方案的選擇，具有很好的指導作用和借鑒意義。